Kỹ thuật tạo chuyển động cho đối tượng 3d trong thực tại ảo

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin phát triển triển mạnh
mẽ đã đem lại những thành tựu đáng kể cho nhiều lĩnh vực như y tế, giáo dục,
kiến trúc, du lịch, giải trí,…Trên đà phát triển ấy đã xuất hiện một mô hình
phát triển mới mà phạm vi ứng dụng có tiềm năng rộng lớn đó là Công nghệ
Thực tại ảo.
“Thực tại ảo” (virtual reality-VR) thực chất là lĩnh vực nhằm mô phỏng
thế giới thực của con người vào máy tính, mà trong đó con người có thể tương
tác và cảm nhận như trong thế giới thực.
Có thể nói lĩnh vực Thực tại ảo là một lĩnh vực vô cùng rộng lớn của
công nghệ thông tin. Nó bao gồm nhiều hướng phát triển và ứng dụng, trong
đó không thể không nói tới vấn đề điều khiển mô hình thì tạo chuyển động
cho đối tượng là cần thiết, là quan trọng. Việc tạo chuyển động của đối tượng
sẽ có rất nhiều kỹ thuật, ví dụ như: chuyển động theo các thời điểm chính,
chuyển động theo đường cong xác định trước, chuyển động không tuyến tính
với đoạn, chuyển động theo sự ràng buộc giữa các thuộc tính,...
Khi có sự chuyển động, tương tác của đối tượng với các đối tượng khác
và môi trường xung quanh. Từ đó mô hình sẽ trở nên chân thực và sống động
hơn. Vậy làm thế nào để có thể tạo sự chuyển động cho đối tượng để nó có
thể thể hiện được hành vi, trạng thái của đối tượng trong thế giới thực không
hề đơn giản. Việc này đòi hỏi người tạo chuyển động phải hiểu rõ được đối
tượng trong thực tế và có những kiến thức sâu về hỗ trợ tạo chuyển động mà
công cụ đưa ra.
Xuất phát trong hoàn ảnh đó và từ những thành quả do Thực tại ảo đem
lại nên tôi đã quyết định lựa chọn đề tài: “Kỹ thuật tạo chuyển động cho đối
tượng 3D trong thực tại ảo” là một việc làm không chỉ có ý nghĩa khoa học

1


và còn mang đận tính thực tiễn nhất khi thực tế đang đặt ra những yêu cầu đòi

hỏi.
Nội dung của luận văn được trình bày trong 3 chương:
Chương 1: Khái quát về Thực tại ảo và tạo chuyển động trong Thực tại ảo
Trong chương này cung cấp cho ta cái nhìn tổng quan về quá trình phát
triển và các lĩnh vực ứng dụng chính hiện nay của Thực tại ảo, đồng thời cung
cấp một cái nhìn khái quát về tạo chuyển động trong Thực tại ảo. Tại chương
này em cũng đưa ra những cơ sở lý thuyết để làm cơ sở cho sự trình bày về
một số kỹ thuật tạo chuyển động cho đối tượng 3D trong chương 2.
Chương 2: Một số kỹ thuật tạo chuyển động cho đối tượng 3D
Trong chương này, em xin giới thiệu về bốn kỹ thuật tạo chuyển động
cơ bản cho đối tượng. Đó là tạo chuyển động theo các thời điểm chính, tạo
chuyển động theo đường cong xác định trước, tạo chuyển động không tuyến
tính với đoạn, tạo chuyển động theo sự ràng buộc giữa các thuộc tính.
Ngoài ra ở chương này cũng nghiên cứu về đối tượng có xương, đối
tượng không xương và tìm hiểu một số phương pháp điều khiển chuyển động
áp dụng cho đối tượng có xương.
Chương 3: Chương trình thử nghiệm
Chương này mô phỏng chuyển động cho đối tượng có xương

2


Chương 1
KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ
TẠO CHUYỂN ĐỘNG TRONG THỰC TẠI ẢO
1.1. Khái quát về Thực tại ảo (Virtual Reality-VR)
1.1.1. Thế nào là Thực tại ảo?
Thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện phát triển mạnh trong vòng
vài năm trở lại đây, đang trở thành một ngành công nghệ mũi nhọn nhờ khả
năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như: y tế, giáo dục, kiến trúc, quân

sự, du lịch, giải trí,... Hiện nay, có nhiều định nghĩa về Thực tại ảo, một trong
các định nghĩa được chấp nhận rộng rãi là của C.Burdea và P.Coiffet thì có
thể hiểu Thực tại ảo tương đối chính xác như sau: VR-Thực tại ảo là một hệ
thống giao diện cấp cao giữa Người sử dụng và Máy tính. Hệ thống này mô
phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian thực có tương tác với người sử
dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác. Đó là ngũ giác gồm: thị giác, thính
giác, xúc giác, khứu giác và vị giác [6].

Hình 1.1. Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D

3


Hay nói một cách cụ thể VR là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô
hình hoá không gian ba chiều, với sự hỗ trợ của thiết bị hiện đại để xây dựng
một thế giới mô phỏng để đưa người ta vào một thế giới nhân tạo với không
gian như thật. Trong thế giới ảo này, người sử dụng không còn được xem như
người quan sát bên ngoài, mà đã thực sự trở thành một phần của hệ thống.
Thế giới “nhân tạo” này không tĩnh tại mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn
của người sử dụng nhờ những cử chỉ, hành động,... Tức là người sử dụng nhìn
thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ.
Một cách lý tưởng, người sử dụng có thể tự do chuyển động trong
không gian ba chiều, tương tác với các vật thể ảo, quan sát và khảo cứu thế
giới ảo ở những góc độ khác nhau về mặt không gian. Ngược lại, môi trường
ảo lại có những phản ứng tương ứng với mỗi hành động của người sử dụng,
tác động vào các giác quan như thị giác, thính giác, xúc giác của người sử
dụng trong thời gian thực làm người sử dụng có cảm giác như đang tồn tại
trong một thế giới thực [6].
1.1.2. Sơ lược về Lịch sử phát triển của Thực tại ảo
Mặc dù Thực tại ảo được mô tả như một công nghệ mới mang tính cách

mạng, nhưng ý tưởng về việc nhúng người sử dụng vào một môi trường nhân
tạo đã ra đời từ rất sớm.
Thuật ngữ “Thực tại ảo” mới được quan tâm trong một vài năm gần
đây xong nó lại có lịch sử từ khá lâu. Cách đây khoảng gần 40 năm một nhà
làm phim có tên là Morton Heilig người Mỹ đã đưa ra một ý tưởng tại sao
không đưa con người bước sang một thế giới khác với ý tưởng là hệ thống mô
phỏng bay (Flight Simulation). Sử dụng hệ thống này người quan sát có cảm
giác ảnh đang sống động ngay trước mắt mình. Do không có sự hỗ trợ về tài
chính do đó Heilig không thể hoàn thành ước mơ của mình. Xong anh cũng

4


đã tạo ra được một thiết bị mô phỏng được gọi là "Sensorrama Simulator",
thiết bị này được công bố vào khoảng đầu những năm 1960.

Hình 1.2. Thiết bị mô phỏng Sensorrama-1960
Thiết bị này sử dụng hình ảnh 3D, thu được từ camera 35mm kết hợp
thành một camera chính. Thiết bị này gồm có một hệ thống âm thanh kết hợp
với những cảnh quay 3 chiều thực sự. Người nhìn có thể cưỡi một cái xe máy,
có thể cảm thấy gió khi chuyển động, thậm chí họ có thể cảm thấy những
đoạn đường có ổ gà. Mặc dù đây còn là một cái máy đơn giản, thô sơ xong nó
đã mở ra nhiều ý tưởng nghiên cứu mới chưa từng có trên thế giới.
Năm 1966 Ivan Sutherland một sinh viên tốt nghiệp Trường Utah tiếp
tục nghiên cứu vấn đề Heilig đã bỏ dở. Sutherland cho rằng cảnh quay tương
tự không đáp ứng được yêu cầu thực tế. Anh ta bắt đầu một ý tưởng của một
bộ tăng tốc đồ hoạ, và đã chế tạo được hệ thống thiết bị Hiển thị đội đầu
(Head Mounted Display-HMD) có thể kết nối tới máy tính. Năm 1970,

5

Sutherland tiếp tục phát triển phần cứng của HMD tại trường đại học Utah,
làm cho nó hoàn thiện hơn có màn hình là màn hình màu.

Hình 1.3. Thiết bị mô phỏng HMD-1970 của Ivan Sutherland
Cũng trong khoảng thời gian này Myron Kreuger đã phát triển một thiết
bị có tên VIDEOPLACE. Thiết bị này sử dụng một màn hình lớn đối diện với
người dùng. Trên màn hình hiển thị cái bóng người dùng. Hệ thống cũng có
khả năng hiển thị nhiều người sử dụng trên cùng một màn hình.

6


Hình 1.4. Thiết bị VIDEOPLACE-1970 của Myron Kreuger
Những ý tưởng này được hai nhà khoa học Mỹ ở NASA là Fisher và
McGreevy kết hợp lại trong một dự án có tên là “Trạm làm việc ảo” (Visual
Workstation) vào năm 1984. Cũng từ đó NASA phát triển thiết bị Hiển thị đội
đầu có tính thương mại đầu tiên, thiết kế dựa trên mẫu hình mặt nạ lặn với các
màn hình quang học mà ảnh được cung cấp bởi hai thiết bị truyền hình cầm
tay Sony Watchman. Sự phát triển của thiết bị này đã thành công ngoài dự
đoán, bởi NASA đã sản xuất được một thiết bị HMD có giá chấp nhận được
trên thị trường và như vậy ngành công nghiệp Thực tại ảo đã ra đời.

Hình 1.5. Thiết bị HMD-1984 của NASA
Nhưng đặc biệt công nghệ Thực tại ảo từ những năm 90 trở lại đây
được phát triển mạnh mẽ và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả
năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như: nghiên cứu và công nghiệp,
giáo dục và đào tạo cũng như thương mại, giải trí,... tiềm năng kinh tế, cũng
như tính lưỡng dụng trong dân dụng và quân sự của nó [6].

7


1.1.3. Các thành phần của một hệ thống Thực tại ảo
Một hệ thống Thực tại ảo tổng quát bao gồm các thành phần: Phần
mềm (Software), phần cứng (HardWare), mạng liên kết, người dùng và các
ứng dụng [6]:

Hình 1.6. Các thành phần một hệ thống VR
Trong luận văn này tôi chỉ tập chung vào phần cứng và phần mềm
 Phần cứng (Hardware)
Phần cứng của một VR tổng quát bao gồm:
 Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh).
 Các thiết bị đầu vào (Input devices): là các thiết bị có khả năng kích
thích các giác quan để tạo nên cảm giác về sự hiện hữu trong thế giới ảo gồm
có: Bộ dò vị trí (position tracking) để xác định vị trí quan sát. Bộ giao diện
định vị (Navigation interfaces) để di chuyển vị trí người sử dụng. Bộ giao
diện cử chỉ (Gesture interfaces) như găng tay dữ liệu (data glove). Thiết bị
tương tác với máy tính thông qua thiết bị như chuột (SpaceBall), bàn phín,...

8


 Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm thiết bị hiển thị đồ họa (như
Kính mắt Shutter Glasses, màn hình rộng, thiết bị HDM,..) để nhìn được đối
tượng 3D. Thiết bị âm thanh (loa) để nghe được âm thanh vòm (như Hi-Fi,
Surround,..). Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback như găng tay,..) để tạo
xúc giác khi sờ, nắm đối tượng. Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để
tạo lực tác động như khi đạp xe, đi đường xóc,...

 Phần mềm (Software)
Phần mềm luôn là linh hồn của Thực tại ảo cũng như đối với bất cứ
một hệ thống máy tính hiện đại nào. Về mặt nguyên tắc có thể dùng bất cứ
ngôn ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa nào cũng phải bảo đảm hai công
dụng chính là: Mô hình hóa (modelling) và mô phỏng (simulation) các đối
tượng trong VR.
Các đối tượng của VR được mô hình hóa (modelling) tức là tạo dựng
mô hình nhờ chính phần mềm này hay mô hình hoá từ mô hình 2D thành mô
hình 3D nhờ công cụ đặc biệt từ các phần mềm như: Maya, 3D Max,…
Mô phỏng (Simulation) là quá trình “bắt chước” hay mô tả các sự vật
hiện tượng, cảnh vật có thực trong thiên nhiên hoặc trong trí tưởng tượng của
con người.
Cho đến nay, nhìn chung có 2 xu hướng để thực hiện mô phỏng mô
hình 3D:
- Phương pháp thứ nhất: thể hiện các mô hình 3D nhờ các ngôn ngữ lập
trình. Ví dụ như: C, C++, Java3D, OpenGL, VRML, X3D, WorldToolKit,
PeopleShop,... Cách này không đòi hỏi cấu hình mạnh của phần cứng, hơn
nữa nó thực hiện các dạng mô phỏng phức tạp đòi hỏi sự chính xác cao. Tuy
nhiên nó không được nhiều người sử dụng vì đó không phải là công việc đơn
giản, nó đòi hỏi trình độ lập trình cao, các thuật toán phức tạp, mất nhiều thời

9


gian. Do vậy ít được ưa thích nhưng đôi khi lại là lựa chọn duy nhất cho
những ai muốn mô phỏng chính xác các đối tượng đúng với bản chất của nó.
Nó chỉ phù hợp với những mô phỏng có quy mô nhỏ, với việc học tập.
- Phương pháp thứ hai: sử dụng các công cụ mô phỏng đã được xây
dựng sẵn. Cách này không đòi hỏi trình độ lập trình cao, không tốn nhiều thời
gian thực hiện, nó phù hợp với các mô phỏng có tính chất mô hình không yêu

cầu độ chính xác cao. Một nhược điểm là nó yêu cầu cấu hình hệ thống mạnh
để cài đặt và chạy chương trình, nhất là khi kết xuất (Rendering). Một số bộ
công cụ mô phỏng thông dụng như là: 3DsMax, Maya, Autocad, Painter3D,
VirtualML, Softimage, Flash,.v.v... Đang rất phổ biến, rất được ưa chuộng
trong các công việc làm Game 3D, Web3D, Phim 3D,...
Tóm lại, một hệ mô phỏng được thiết kế tốt, kết hợp với các thiết bị
trình chiếu hiện đại và các thiết bị tương tác ngoại vi sẽ giúp con người tiếp
cận được với thế giới ảo như đang ở trong thế giới thực. Việc tạo ra các mô
hình đối tượng có độ chân thực và sức hấp dẫn hoàn toàn phụ thuộc vào cách
ta lựa chọn phương pháp để thể hiện chúng. Mỗi phương pháp có những ưu
điểm và nhược điểm riêng, vì thế tuỳ vào mức độ quan trọng của đối tượng
trong hệ mà ta có thể chọn phương pháp phù hợp để xây dựng.
1.1.4. Các lĩnh vực ứng dụng của Thực tại ảo
Cũng như nhiều ngành công nghệ khác, Thực tại ảo chỉ thực sự được
phát triển ứng dụng rộng rãi trong những năm gần đây nhờ vào sự phát triển
của tin học (phần mềm và phần cứng). Ngày nay VR đã trở thành một ngành
công nghiệp và thị trường VR tăng trưởng hàng năm khoảng 21% và dự tính
đạt khoảng 3,4 tỷ $ năm 2005 (theo Machover, 2004). Theo dự đoán của
Gartner (tổ chức nghiên cứu thị trường toàn cầu), VR đứng đầu danh sách 10
công nghệ chiến lược năm 2009. Thị trường VR tại Mỹ trong các lĩnh vực

10


giáo dục phẫu thuật y khoa và một số lĩnh vực khác được ước đạt 290 triệu
USD vào năm 2010 (theo Neurovr.org).
Ứng dụng của Thực tại ảo có thể thấy được rất nhiều trong thế giới
hàng ngày của chúng ta. Xét về khía cạnh ứng dụng một số lĩnh vực ứng dụng
chính đang có khuynh hướng phát triển mạnh mẽ nhất chúng ta có thể kể đến
một số lĩnh vực sau: [7], [8], [9], [11], [12].

 Xây dựng và Thiết kế kiến trúc
Một trong những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu nhất của VR là thiết kế
kiến trúc. Khả năng mô hình hoá thế giới thực của công nghệ VR dường như
đáp ứng một cách tự nhiên của ngành thiết kế kiến trúc đưa ra mô hình trực
quan nhất. Ví dụ công trình thiết kế cầu mong muốn trong tương lai:

Hình 1.7. Mô phỏng trong thiết kế kiến trúc cầu 3D
Việc xây dựng các mô hình không gian kiến trúc với đầy đủ mô tả trực
quan về các hình khối kiến trúc của một căn nhà, cách bố trí nội thất bên
trong, thậm chí hoa văn cửa sổ hay màu sơn của tường, cùng với khả năng

11


cho phép khách hàng tự do tham quan, khảo sát căn nhà của họ trong tương
lai theo nhiều góc độ và vị trí, từ phòng này sang phòng khác thực sự đem lại
hiệu quả trực quan, mang tính cách mạng trong lĩnh vực mang nhiều đặc điểm
nghệ thuật này.

Hình 1.8. Mô phỏng thiết kế kiến trúc nhà ở 3D

 Giáo dục và Đào tạo
Phát triển trên nền công nghệ và kỹ thuật cao, VR tích hợp những đặc
tính làm cho bản thân nó có những tiềm năng vượt trội. Cho người sử dụng
cảm nhận sự hiện diện của mình trong môi trường do máy tính tạo ra bằng
khả năng tương tác, tự trị (Autonomy) của người dùng trong môi trường ảo,
cũng như bằng những phản hồi tức thời, trực quan từ phía môi trường ảo tới
các giác quan của người sử dụng. Vì vậy Thực tại ảo đã đang trở thành một
công cụ hữu hiệu trong giáo dục, đặc biệt là một phương tiện giáo dục và đào
tạo hết sức mạnh đối với một số ngành nghề chi phí tốn kém và nguy hiểm

12


đòi hỏi phải thực hành, ví dụ như: huấn luyện tập nhảy dù, tập lái xe,..v.v...
thì việc ứng dụng VR là cực kỳ cần thiết.

Hình 1.9. Ứng dụng công nghệ VR trong huấn luyện tập nhảy dù
Tất cả những đặc tính này khiến công nghệ VR trở nên rất phù hợp cho
các ứng dụng có tính chất giáo dục hay đào tạo. Tính chất trực quan của bài
giảng được nâng cao, làm tăng sự hứng thú trong học tập cũng như khả năng
ghi nhớ các khái niệm quan trọng trong bài giảng. Từ đó, học viên nắm bắt
được nhanh chóng và có ý thức hơn với những tính huống đã được học.
 Y học
Y học là một trong những lĩnh vực ứng dụng nhiều tiềm năng trong
công nghệ VR. Cho đến nay, trên thế giới ứng dụng của VR vào y học là khá
phong phú, xong lĩnh vực nổi bật và thiết thực nhất là việc áp dụng thành
công nghệ VR là giả lập giải phẫu (Surgical Simulation).
Trên cơ sở các kỹ thuật đồ hoạ máy tính và Thực tại ảo, hệ thống đào
tạo y học này bao gồm hai bộ phận cơ bản: Khối tương tác ba chiều là mô

13


hình sinh thể ảo cho phép người sử dụng thực hiện các thao tác giải phẫu
thông qua các dụng cụ giải phẫu ảo; Khối giao diện người dùng hai chiều
cung cấp những thông tin phản hồi trực quan từ mô hình trong quá trình giải
phẫu cũng như những thông tin hướng dẫn trong phiên đào tạo.

Hình 1.10. Ứng dụng công nghệ VR trong đào tạo phẫu thuật ảo

Phương pháp đào tạo có tính tương tác cao này mang nhiều ưu điểm so
với các phương pháp truyền thống như thực hành trên mô hình plastic hay
trên bệnh nhân thực.
Thứ nhất, khác với phương pháp dùng mô hình plastic, sinh thể giải
phẫu ảo có khả năng cung cấp những thông tin phản hồi sinh học một cách tự
nhiên như một sinh thể sống thực, chẳng hạn như sự thay đổi về nhịp tim,
huyết áp,… Điều này tạo cho học viên có cảm giác đang trải qua một ca mổ
trong một tình huống thực.
Thứ hai, khác với thực hành trên bệnh nhân thật, những sai lầm của học
viên trong quá trình thực tập không phải trả giá bằng những thương tổn thực
trên cơ thể người bệnh. Điều này cũng làm giảm áp lực lên học viên khi thực
hiện phẫu thuật ảo. Từ đó, giúp họ tự tin và chủ động hơn trong học tập.

14


Phương pháp này còn cho phép các bác sĩ không ngừng nâng cao trình độ tay
nghề, kỹ năng đặt ra những giả định về tình huống bệnh nhân, cập nhật những
dữ liệu bệnh lý mới để thực hiện kỹ thuật mới trong điều trị. Bác sĩ cũng có
thể tự lập kế hoạch mổ thử trên bệnh nhân ảo trước khi mổ trên bệnh nhân
thật do đó làm tăng mức độ an toàn và hiệu quả điều trị, giảm thiểu sai lầm rủi
ro đáng tiếc xảy ra.
 Thương mại - Du lịch
Trong thương mại đặc biệt là trong ngành quảng cáo công nghệ VR
đang có một vị trí quan trọng. Nó giúp khách hàng tiếp cận gần hơn tới hàng
hóa để có thể đánh giá chất lượng mà không cần có hàng trực tiếp,…Trong du
lịch các công ty có thể cho khách xem trước khách sạn, nhà hàng và ngắm
nhìn một phần quang cảnh địa phương nơi khách sắp đến du lịch,…Tiêu biểu
là Công ty Giải pháp CNTT & Truyền thông DAGINET là Công ty tại Việt
Nam cung cấp ra thị trường Việt Nam Giải pháp VR - Virtual Reality 360 trên

trang web .

Hình 1.11. Ứng dụng công nghệ VR trong Du lịch

15


 Giải trí
Giải trí hiện nay đây là ngành đạt được nhiều thành tựu và lợi nhuận về
tài chính. Trong giải trí nó có thể chia làm hai lĩnh vực chính đó là điện ảnh
và game. Trong điện ảnh ngày nay với sự phát triển của kỹ thuật và công nghệ
mô phỏng người ta đã có thể xây dựng các bộ phim 3D. Khi xem các phim
này các bạn sẽ có cảm giác như thể bạn là một nhân vật của bộ phim chứ
không phải bạn đang xem phim.

Hình 1.12 Các logo phim dùng 3D ảo
Trong lĩnh vực Game có rất nhiều công ty đang sản xuất ra các trò chơi
có sử dụng công nghệ VR. Các trò chơi sẽ cho bạn có cảm giác như đang thực
sự tham gia vào một vai diễn mà bạn đảm nhiệm trong trò chơi. Số lượng
người bị cuốn hút theo các trò chơi như vậy đặc biệt là giới trẻ tăng theo cấp
số nhân, đánh dấu tiềm năng thương mại to lớn của công nghệ VR trong lĩnh
vực này.

Hình 1.13. Hệ thống trong lĩnh vực giải trí 3D

16


1.1.5. Phân loại các hệ thống Thực tại ảo
Mặc dù khó có thể phân loại được tất cả các hệ thống Thực tại ảo,

nhưng phần lớn các hình thái hệ thống VR rơi vào ba nhóm chính, mỗi nhóm
được xếp hạng theo khả năng cung cấp tính “thực” hay độ “nhúng” của người
sử dụng trong môi trường ảo do hệ thống tạo ra. Tính thực hay độ nhúng được
xem là kết quả của sự phối hợp nhiều yếu tố bao gồm mức độ tương tác với
môi trường, mức độ nhìn lập thể, trường quan sát và tốc độ cập nhật ảnh của
màn hình trong sự thay đổi về mặt không gian của người dùng [7].
 Hệ thống Thực tại ảo không có tính nhúng (Non-Immersive Systems)
Các hệ thống Thực tại ảo không có tính nhúng, như tên gọi của chúng
là những hệ thống có khả năng cung cấp mức độ hiện thực thấp nhất. Môi
trường ảo được quan sát thông qua một khung nhìn là một màn hình máy tính
có độ phân giải cao. Hệ thống này sử dụng các thiết bị sau:
- Máy tính để bàn: có cấu hình cao, có hỗ trợ card xử lý đồ hoạ 3D
Stereo có dung lượng 256 MB trở lên, và có hỗ trợ Spaceball cũng như một số
thiết bị ngoại vi mở rộng khác.

Hình 1.14. Dàn máy tính HP cấu hình cao hỗ trợ xử lý đồ hoạ 3D

17


Việc tương tác với môi trường ảo được thực hiện thông qua các phương
tiện truyền thống như bàn phím, chuột hoặc tiên tiến hơn sử dụng các thiết bị
tương tác lập thể như Spaceball.
- Chuột Spaceball là thiết bị đầu vào giúp cho người dùng thực hiện các
thao tác như: phóng to hay thu nhỏ, theo dõi và xoay chuyển các vật thể trong
môi trường không gian 3 chiều giống y như trong thế giới thực.

Hình 1.15. Chuột SpaceBall trong hệ thống VR không có tính nhúng
Ưu điểm của các hệ thống VR không có tính nhúng là ở chỗ chúng
không đòi hỏi hiệu năng xử lý đồ hoạ ở mức cao, không cần hỗ trợ bởi những

phần cứng đặc biệt và có thể trình diễn ngay trên các máy tính cá nhân có cấu
hình tương đối trở lên. Điều này có nghĩa là những hệ thống này được xem
như giải pháp công nghệ VR có chi phí thấp nhất, trong khi đó vẫn có thể áp
dụng trong nhiều ứng dụng. Tuy nhiên chi phí thấp cũng đồng nghĩa với việc
không đáp ứng được với những tương tác ở mức độ cao, không cho cảm giác
tồn tại trong môi trường giả lập, không phát huy được cảm nhận phạm vi
không gian rộng.

18


 Hệ thống Thực tại ảo Bán nhúng (Semi-Immersive Systems)
Hệ thống Bán nhúng là một thể nghiệm khá mới trong công nghệ VR.
Sự phát triển của các hệ thống VR dạng này dựa trên các công nghệ đã được
phát triển trong lĩnh vực mô phỏng bay.
Một hệ thống VR Bán nhúng thường có những thiết bị sau:
- Một màn ảnh rộng
- Máy chiếu màn ảnh rộng công nghệ DLP (Digital Light Processing)

Hình 1.16. Máy chiếu công nghệ DLP trong hệ thống VR bán nhúng
- Kính mắt Shutter Glasse là loại kính hỗ trợ đặc biệt cho mắt người
quan sát để có thể nhìn thấy những cảnh 3D trong thế giới ảo. Đây là thiết bị
hỗ trợ quan trọng nhất trong hệ VR bán nhúng.

Hình 1.17. Kính ShutterGlasses trong hệ thống VR Bán nhúng

19


Hệ thống VR Bán nhúng sử dụng một trường quan sát rộng, cho người

dùng có cảm nhận nhiều hơn về sự hiện diện trong không gian ảo so với các
hệ thống không có tính nhúng. Tuy nhiên, chất lượng của ảnh chiếu là vấn đề
đáng quan tâm. Do đó việc nâng cao hiệu năng luôn luôn đi kèm với những
chi phí đắt. Nhưng ta cũng phải thừa nhận những tính năng vượt trội mà nó
mang lại so với hệ thống không tính nhúng là khả năng hiện diện của người
quan sát trong hệ, tính đa người dùng.

Hình 1.18. Hệ thống chiếu màn ảnh rộng kết hợp
kính ShutterGlasses trong hệ thống VR Bán nhúng
 Hệ thống Thực tại ảo nhúng toàn phần (Fully Immersive Systems)
Hệ thống VR nhúng toàn phần cung cấp cho người sử dụng những trải
nghiệm trực quan nhất trong môi trường ảo. Những hệ thống như vậy có thể
được xem như bước tiến xa nhất trong công nghệ VR cho tới thời điểm này.
Có một loại thiết bị gắn liền với sự phát triển của các hệ thống dạng này đó là
thiết bị HMD và DataGloves. Các thiết bị đó cho phép người quan sát được
nhúng hoàn toàn trong một thế giới ảo mà ở đó có thể quay 360 0 và tương tác
với vật có cảm giác như tương tác với vật thật.

20


- Găng tay dữ liệu (Data Gloves): Về hình dạng giống như găng tay
thường nhưng có gắn các thiết bị cảm biến (Sensor). Thiết bị này theo dõi sự
thay đổi về vị trí và cử chỉ trên bàn tay. Mỗi cử chỉ quy định một hành vi khác
nhau của người sử dụng trong môi trường ảo. Bằng cách này người sử dụng
có thể tương tác với các vật thể ảo, đồng thời có những cảm nhận về mặt xúc
giác thông qua những phản hồi từ phía hệ thống tới găng tay.

Hình 1.19. Thiết bị Data glove trong hệ thống VR nhúng toàn phần
- Thiết bị hiển thị đội đầu (Head Mounted Display-HMD) là thiết bị

không chỉ cho phép người quan sát cảm nhận được thế giới ảo 3 chiều mà còn
cho phép người quan sát được tự do chuyển động trong thế giới đó.

Hình 1.20. Thiết bị HMD trong hệ thống VR nhúng toàn phần

21


Tất cả các hệ thống VR nhúng toàn phần có khả năng cung cấp những
cảm nhận hiện thực trong môi trường ảo hơn bất kỳ một loại hệ thống nào đã
đề cập trước. Tuy nhiên, mức độ “thực” còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao
gồm trường quan sát của thiết bị HMD, độ phân giải, tốc độ cập nhật ảnh
trong thời gian thực khi người quan sát chuyển động trong không gian.
Bảng: So sánh hiệu năng hoạt động của các hệ thống
Thực tại ảo (Kalawsky, 1996)

Các đặc trưng
chính

Hệ không nhúng

Hệ bán nhúng

Hệ nhúng toán
phần

Độ phân giải

Cao

Cao

Trung bình

Cảm nhận về
phạm vi không
gian

Thấp

Trung bình Cao

Cao

Khả năng tương
tác

Thấp

Trung bình

Cao

Trường quan sát

Thấp

Trung bình

Cao

Độ trễ

Thấp

Thấp

Trung bình - Cao

Cảm giác hiện
diện trong môi
trường ảo

Không - Thấp

Trung bình Cao

Trung bình - Cao

1.2. Chuyển động trong Thực tại ảo

22


Hình ảnh 3D trong Thực tại ảo ngày càng có nhiều ứng dụng trong thực
tế. Việc tạo ra các mô hình 3D với các chuyển động gắn với nó là một đòi hỏi
tất yếu. Trong lĩnh vực thể hiện hình ảnh 3D trong VR có hai khâu quan trọng
là tạo mô hình và điều khiển mô hình.
1.2.1. Vai trò của việc tạo chuyển động
Có thể nói việc tạo chuyển động là thành phần không thể thiếu trong

VR. Chuyển động, tương tác giữa các đối tượng sẽ làm cho đối tượng trở lên
chân thực và sống động hơn, sẽ đưa người ta vào một thế giới nhân tạo giống
như thật. Việc thể hiện thành công kỹ thuật tạo chuyển động trong VR sẽ cho
phép ta đi sâu vào thế giới ảo để tạo ra những giá trị thật cho cuộc sống con
người. Nhưng để tạo chuyển động cho đối tượng để nó có thể thể hiện được
hành vi, trạng thái trong thế giới thực không hề đơn giản.
1.2.2. Cơ sở lý thuyết của tạo chuyển động
Cơ sở lý thuyết của việc tạo chuyển động chính là các đặc tính của
nó trong VR. Trong điều khiển mô hình thì tạo chuyển động cho đối tượng là
quan trọng. Chất lượng hệ thống phụ thuộc nhiều vào quá trình điều khiển do
phải đảm bảo những đặc tính trong VR. Dưới đây giới thiệu ba đặc tính chính
của VR để tạo cơ sở cho việc tạo chuyển động trong VR [6], [17].

Hình 1.21. Ba đặc tính trong VR
 Tính tương tác (Interactive)

23


Có nghĩa là bằng một hệ thống mô phỏng có sử dụng đồ họa máy tính,
công nghệ VR có thể đưa người ta vào một thế giới nhân tạo với không gian 3
chiều như thật. Thế giới này không tĩnh tại mà phản ứng, thay đổi theo ý
muốn tín hiệu vào của người sử dụng nhờ hành động, lời nói,...
Một đặc tính chính của VR là tính tương tác theo thời gian thực (Real
Time Interactivity). Thời gian thực ở đây có nghĩa là máy tính có khả năng
nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế
giới ảo. Người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý
muốn của họ và bị thu hút bởi sự mô phỏng này.
Có hai khía cạnh của tính tương tác trong một thế giới ảo đó là: sự du
hành bên trong thế giới và động lực học của môi trường.

- Sự du hành (navigation) là khả năng của người dùng để di chuyển
khắp nơi một cách độc lập, cứ như là đang ở bên trong một môi trường thật.
Nhà phát triển phần mềm có thể thiết lập những áp đặt với việc truy cập vào
những khu vực ảo, cho phép có được nhiều mức độ tự do khác nhau như
người sử dụng có thể bay, xuyên tường, đi lại khắp nơi hoặc bơi lặn,… Một
khía cạnh khác của sự du hành là sự định vị điểm nhìn của người dùng. Sự
kiểm soát điểm nhìn là việc người sử dụng tự theo dõi chính họ từ một
khoảng cách, việc quan sát cảnh tượng thông qua đôi mắt của một con người
khác, hoặc di chuyển khắp trong thiết kế của một cao ốc mới như thể đang
ngồi trong một chiếc ghế đẩy…
- Động lực học của môi trường là những quy tắc về cách thức mà
người, vật và mọi thứ tương tác với nhau trong một trật tự để trao đổi năng
lượng hoặc thông tin. Mỗi một đối tượng (object) và mối quan hệ của nó với
mọi đối tượng khác là một yếu tố thiết kế trong sự suy xét cẩn thận của nhà
phát triển.
 Tính đắm chìm (Immersion)

24


Đặc tính chính thứ hai của VR là tạo cảm giác đắm chìm. Cảm giác
đắm chìm là một hiệu ứng tạo khả năng tập trung sự chú ý cao nhất, có nghĩa
là ngăn chặn sự xao nhãng và tập trung một cách có chọn lọc vào chính thông
tin với những gì bạn muốn làm. Cảm giác của người sử dụng cảm thấy mình
là một phần của thế giới ảo, hòa lẫn vào thế giới đó. Nhưng VR còn đẩy cảm
giác này "thật" hơn nữa nhờ tác động lên các kênh cảm giác của con người.
Người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D, điều khiển xoay, di
chuyển,... được đối tượng trên màn hình như trong game, mà còn sờ và cảm
thấy chúng như có thật. Ngoài khả năng nhìn, nghe, sờ. Nhiều nhà nghiên cứu
hiện nay đang tìm cách tạo ra những cảm giác khác như ngửi và nếm. Tuy

nhiên hiện nay trong VR các cảm giác này cũng ít được sử dụng đến.
 Tính tưởng tượng (Imagination)
Như trên đã trình bày, hai đặc tính chính của VR là Tương tác và Đắm
chìm, đây là hai "I" (Interactive, Immersion) mà nhiều người đã biết. Tuy
nhiên VR cần có một đặc tính thứ ba mà ít người để ý tới. VR không chỉ là
một hệ thống tương tác Người - Máy tính, mà các ứng dụng của nó còn liên
quan tới việc giải quyết các vấn đề thật trong kỹ thuật, y học, quân sự,...Các
ứng dụng này do các nhà phát triển VR thiết kế, điều này phụ thuộc rất nhiều
vào khả năng Tưởng tượng của con người, đó chính là đặc tính "I"
(Imagination) thứ 3 của VR. Do đó có thể coi VR là tổng hợp của 3 yếu tố:
Tương tác - Đắm chìm - Tưởng tượng.

25